基于$%传感技术的深海立管涡激振动测试研究.PDFVIP

书第 ! 卷第 # 期 $% 年 月 振动!测试与诊断 ()*+,-.)/012+-31), 45-6*+575,38 91- : ,)616 0).;!);# =* : ;$% !# # %;#% $ ? ;@,A1;166,;%%#B%;$%;%#;%$! 基于 $% 传感技术的深海立管涡激振动测试研究! 李 朋! 王 来! 郭海燕$! 张永波! % ; 山东科技大学土木工程与建筑学院 青岛 $C% % $; 中国海洋大学工程学院 青岛 $%% % !; 青岛国家海洋科学研究中心 青岛 $%D 摘要 为了探索光纤光栅传感技术在深海立管振动测试中的适用性采用光纤光栅应变传感器在大型波流耦合 试验水池中进行了阶段流作用下大长细比深海立管的涡激振动测试试验立管模型长为 ;$7 长细比为 !% 模 型材料采用铜管立管上部 ;$7 处于均匀稳定的流场中下部 ;%7 处于静水之中沿立管长度四面对称布置 # 个光栅测点通过改变外流流速!内流流速和初始顶张力等影响因素采集应变数据并结合模态分析理论分析 了不同工况下立管的振动频率!幅值及模态等振动特性研究了阶段流作用下立管的涡激振动规律结果表明光 纤光栅传感技术能很好地满足大长细比深海立管的涡激振动测试要求能准确体现立管的应变时程!振幅和频率 等振动特性清晰反映出在不同外流速下立管振动的多模态特征及每阶主导频率下的锁振区间 关键词 光纤光栅传感器(深海立管(阶段流场(涡激振动(测试分析 中图分类号 EF$ ( GD 引 言 海洋立管是海洋平台与海底井口的连接结构 一个平台上通常有十几根立管长度可以达到几千 米深海立管长细比很大除了上下端外中间部分 再无其他任何固定支撑因立管工作环境恶劣受力 极为复杂建设成本巨大是深海工程的高科技工程 设施也是薄弱易损的工程设施之一)B$*当波浪! 海流流经立管时在一定的流速下会产生漩涡脱落 引发立管的涡激振动% H)+35I B 1,J*@5JH12+-31), 简 称 0K0 而涡激振动是立管产生疲劳破坏的主要 诱因因此对海洋立管进行涡激振动模型试验研 究其在复杂海洋环境荷载作用下的动力特性及动力 响应是极为必要的)!B* 立管的涡激振动是典型的小尺度构件流固耦合 振动由于其结构本身长细比大!所处环境复杂进 行模型试验时如果采用传统的电测类传感器进行测 试往往造成较大误差给数据分析带来较大困难 不易保证结果准确性因此深海立管模型的 0K0 测 试具有很大难度光纤光栅传感器是一种新型的传 感技术与传统的电测类传感器相比具有体积小! 质量轻!稳定性好!布线简单!耐腐蚀!精度高!抗电 磁干扰!可实现远程传输及分布式测量等优点)BD* 其克服了电测法受电磁干扰且在结构小应变时存在 零漂的缺点比较适合海洋工程中环境潮湿!易腐 蚀!电磁干扰复杂的情况光纤光栅传感器体积小! 质量轻对立管模型的附加质量可以忽略同时还满 足水下工作的要求深海立管涡激振动的模态分析 需要沿管道长度布置多个测点采用光纤光栅传感 器最大的优势在于一根光纤中可以写入多个光栅 构成传感阵列实现分布式传感克服了传统电测类 传感器需要大量引线!布线困难且需要众多数据采 集分析接口的缺点同时还克服了由于引线太多 使得立管周围流体产生严重扰动改变了初始外部 流场严重影响数据准确性的缺点 国内关于光纤光栅传感技术在工程结构中的运 用已有不少报道)B!*大部分局限于结构的健康监 测方面而在海洋工程结构特别是深海立管的测试 方面少有报道)#B*笔者利用山东省海洋工程重点 实验室的平面随机波流耦合试验水池采用布拉格 光纤光栅% /125+2+- ::: +-31, : 简称 LMN 应变传感 ! 国家高技术研究发展计划%+八六三,计划资助项目% $%%==%CO!%! (国家自然科学基金资助项目% $DCD (中央 高校基本科研业务费资助项目% $%$$%% (山东科技大学人才引进科研启动基金资助项目% $%!PQ((%!$ (青岛市 博士后研究人员应用研究资助项目% %$%$%#% (山东省土木工程防灾减灾重点实验室开放课题基金资助项目 % Q9G4$%!OP% (山东省优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目% MR$%FO%D 收稿日期# $%#B$B% (修回日期# $%B%!B 器通过制造不同流速的外流作用于立管模型的上 部同时施加并变换不同的内流和顶张力进行了阶 段流作用下大长细比深海立管的涡激振动测试试 验通过对光纤光栅应变数据的采集分析了不同 工况下深海立管的振动频率!幅值及模态等振动特 性研究了阶段流作用下大长细比深海立管的涡激 振动规律 $% 传感器原理及模态分析理论 ( $% 传感器工作原理 布拉格光纤光栅传感器% /125+M+- ::: +-31